基于MATLAB的QPSK系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、 通信系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)報(bào)告     1. 課題名稱： 基于 MATLAB 的QPSK系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 學(xué)生學(xué)號(hào)： 學(xué)生姓名： 所在班級(jí)： 任課教師： 2016年 10月25日 目 錄1.1QPSK系統(tǒng)的應(yīng)用背景簡(jiǎn)介31.2 QPSK實(shí)驗(yàn)仿真的意義31.3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容3實(shí)驗(yàn)平臺(tái)3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容3二、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖和分析42.1、QPSK調(diào)制部分，42.2、QPSK解調(diào)部分5三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析63.1、理想信道下的仿真63.2、高斯信道下的仿真73.3、先通過(guò)瑞利衰落信道再通過(guò)高斯信道的仿真8總結(jié)：10參考文獻(xiàn)：11附錄121.1QPS

2、K系統(tǒng)的應(yīng)用背景簡(jiǎn)介QPSK是英文Quadrature Phase Shift Keying的縮略語(yǔ)簡(jiǎn)稱，意為正交相移鍵控，是一種數(shù)字調(diào)制方式。在19世紀(jì)80年代初期,人們選用恒定包絡(luò)數(shù)字調(diào)制。這類數(shù)字調(diào)制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是已調(diào)信號(hào)具有相對(duì)窄的功率譜和對(duì)放大設(shè)備沒(méi)有線性要求,不足之處是其頻譜利用率低于線性調(diào)制技術(shù)。19世紀(jì)80年代中期以后,四相絕對(duì)移相鍵控(QPSK)技術(shù)以其抗干擾性能強(qiáng)、誤碼性能好、頻譜利用率高等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于數(shù)字微波通信系統(tǒng)、數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)、寬帶接入、移動(dòng)通信及有線電視系統(tǒng)之中。1.2 QPSK實(shí)驗(yàn)仿真的意義通過(guò)完成設(shè)計(jì)內(nèi)容， 復(fù)習(xí)QPSK調(diào)制解調(diào)的基本原理，同時(shí)也要復(fù)習(xí)通信

3、系統(tǒng)的主要組成部分，了解調(diào)制解調(diào)方式中最基礎(chǔ)的方法。了解QPSK的實(shí)現(xiàn)方法及數(shù)學(xué)原理。并對(duì)“通信”這個(gè)概念有個(gè)整體的理解，學(xué)習(xí)數(shù)字調(diào)制中誤碼率測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)及計(jì)算方法。同時(shí)還要復(fù)習(xí)隨機(jī)信號(hào)中時(shí)域用自相關(guān)函數(shù)，頻域用功率譜密度來(lái)描述平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的特性等基礎(chǔ)知識(shí)，來(lái)理解高斯信道中噪聲的表示方法，以便在編程中使用。 理解QPSK調(diào)制解調(diào)的基本原理，并使用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)QPSK信號(hào)在高斯信道和瑞利衰落信道下傳輸，以及該方式的誤碼率測(cè)試。復(fù)習(xí)MATLAB編程的基礎(chǔ)知識(shí)和編程的常用算法以及使用MATLAB仿真系統(tǒng)的注意事項(xiàng)，并鍛煉自己的編程能力，通過(guò)編程完成QPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的仿真，以及誤碼率測(cè)試，并

4、得出響應(yīng)波形。在完成要求任務(wù)的條件下，嘗試優(yōu)化程序。通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，除了和隊(duì)友培養(yǎng)了默契學(xué)到了知識(shí)之外，還可以將次實(shí)驗(yàn)作為一種推廣，讓更多的學(xué)生來(lái)深入一層的了解QPSK以至其他調(diào)制方式的原理和實(shí)現(xiàn)方法?？梢苑奖銓W(xué)生進(jìn)行測(cè)試和對(duì)比。足不出戶便可以做實(shí)驗(yàn)。1.3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)平臺(tái)本實(shí)驗(yàn)是基于Matlab的軟件仿真，只需PC機(jī)上安裝MATLAB 6.0或者以上版本即可。（本實(shí)驗(yàn)附帶基于Matlab Simulink （模塊化）仿真，如需使用必須安裝simulink 模塊）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.構(gòu)建一個(gè)理想信道基本QPSK仿真系統(tǒng),要求仿真結(jié)果有a.基帶輸入波形及其功率譜 b.QPSK信號(hào)及其功率譜 c

5、.QPSK信號(hào)星座圖 2.構(gòu)建一個(gè)在AWGN（高斯白噪聲）信道條件下的QPSK仿真系統(tǒng)，要求仿真結(jié)果有a.QPSK信號(hào)及其功率譜 b.QPSK信號(hào)星座圖c.高斯白噪聲信道條件下的誤碼性能以及高斯白噪聲的理論曲線，要求所有誤碼性能曲線在同一坐標(biāo)比例下繪制3驗(yàn)可選做擴(kuò)展內(nèi)容要求：構(gòu)建一個(gè)先經(jīng)過(guò)Rayleigh（瑞利衰落信道），再通過(guò)AWGN（高斯白噪聲）信道條件下的條件下的QPSK仿真系統(tǒng)，要求仿真結(jié)果有a.QPSK信號(hào)及其功率譜 b.通過(guò)瑞利衰落信道之前和之后的信號(hào)星座圖，前后進(jìn)行比較c.在瑞利衰落信道和在高斯白噪聲條件下的誤碼性能曲線，并和二.2.c中所要求的誤碼性能曲線在同一坐標(biāo)比例下繪制二

6、、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖和分析2.1、QPSK調(diào)制部分，原理框圖如圖1所示1（t）QPSK信號(hào)s（t）二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列極性NRZ電平編碼器分離器 2（t） 圖1原理分析：基本原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu) QPSK與二進(jìn)制PSK一樣，傳輸信號(hào)包含的信息都存在于相位中。的別的載波相位取四個(gè)等間隔值之一，如/4, 3/4,5/4,和7/4。相應(yīng)的，可將發(fā)射信號(hào)定義為 0tTSi（t） 0。， 其他其中，i1，2，2，4；E為發(fā)射信號(hào)的每個(gè)符號(hào)的能量，T為符號(hào)持續(xù)時(shí)間，載波頻率f等于nc/T，nc為固定整數(shù)。每一個(gè)可能的相位值對(duì)應(yīng)于一個(gè)特定的二位組。例如，可用前述的一組相位值來(lái)表示格雷碼的一組二位組：10，00，01，11。下

7、面介紹QPSK信號(hào)的產(chǎn)生和檢測(cè)。如果a為典型的QPSK發(fā)射機(jī)框圖。輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列首先被不歸零（NRZ）電平編碼轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為極性形式，即負(fù)號(hào)1和0分別用和表示。接著，該二進(jìn)制波形被分接器分成兩個(gè)分別由輸入序列的奇數(shù)位偶數(shù)位組成的彼此獨(dú)立的二進(jìn)制波形，這兩個(gè)二進(jìn)制波形分別用a1（t），和a2（t）表示。容易注意到，在任何一信號(hào)時(shí)間間隔內(nèi)a1（t），和a2（t）的幅度恰好分別等于Si1和 Si2，即由發(fā)送的二位組決定。這兩個(gè)二進(jìn)制波形a1（t），和a2（t）被用來(lái)調(diào)制一對(duì)正交載波或者說(shuō)正交基本函數(shù)：1（t），2（t）。這樣就得到一對(duì)二進(jìn)制PSK信號(hào)。1（t）和2（t）的正交性使這兩個(gè)信號(hào)可以被

8、獨(dú)立地檢測(cè)。最后，將這兩個(gè)二進(jìn)制PSK信號(hào)相加，從而得期望的QPSK。2.2、QPSK解調(diào)部分，原理框圖如圖2所示： 1（t） 同相信道 門(mén)限0發(fā)送二進(jìn)制序列的估計(jì)判決門(mén)限低通filrer判決門(mén)限復(fù)接器接收信 號(hào)x（t）低通filrer 2（t） 正交信道 門(mén)限0 圖2原理分析： QPSK接收機(jī)由一對(duì)共輸入地相關(guān)器組成。這兩個(gè)相關(guān)器分別提供本地產(chǎn)生地相干參考信號(hào)1（t）和2（t）。相關(guān)器接收信號(hào)x（t），相關(guān)器輸出地x1和x2被用來(lái)與門(mén)限值0進(jìn)行比較。如果x1>0,則判決同相信道地輸出為符號(hào)1；如果x1<0 ,則判決同相信道的輸出為符號(hào)0。；類似地。如果正交通道也是如此判決輸出。最

9、后同相信道和正交信道輸出這兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列被復(fù)加器合并，重新得到原始的二進(jìn)制序列。在AWGN信道中，判決結(jié)果具有最小的負(fù)號(hào)差錯(cuò)概率。三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析根據(jù)圖1和圖2的流程框圖設(shè)計(jì)仿真程序，得出結(jié)果并且分析如下：3.1、理想信道下的仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示 圖3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：如圖上結(jié)果顯示，完成了QPSK信號(hào)在理想信道上的調(diào)制，傳輸，解調(diào)的過(guò)程，由于調(diào)制過(guò)程中加進(jìn)了載波，因此調(diào)制信號(hào)的功率譜密度會(huì)發(fā)生變化。并且可以看出調(diào)制解調(diào)的結(jié)果沒(méi)有誤碼。3.2、高斯信道下的仿真，結(jié)果如圖4所示：圖4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：由圖4可以得到高斯信道下的調(diào)制信號(hào)，高斯噪聲，調(diào)制輸出功率譜密度曲線和QPSK信號(hào)的星座圖。在

10、高斯噪聲的影響下，調(diào)制信號(hào)的波形發(fā)生了明顯的變化，其功率譜密度函數(shù)相對(duì)于圖1中的調(diào)制信號(hào)的功率譜密度只發(fā)生了微小的變化，原因在于高斯噪聲是一個(gè)均值為0的白噪聲，在各個(gè)頻率上其功率是均勻的，因此此結(jié)果是真確的。星座圖反映可接收信號(hào)早高斯噪聲的影響下發(fā)生了誤碼，但是大部分還是保持了原來(lái)的特性。3.3、先通過(guò)瑞利衰落信道再通過(guò)高斯信道的仿真。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示：圖5實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：由圖5可以得到瑞利衰落信道前后的星座圖，調(diào)制信號(hào)的曲線圖及其功率譜密度。最后顯示的是高斯信道和瑞利衰落信道的誤碼率對(duì)比。由圖可知瑞利衰落信道下的誤碼率比高斯信道下的誤碼率高。至此，仿真實(shí)驗(yàn)就全部完成。結(jié) 論本論文運(yùn)用MATL

11、AB中的動(dòng)態(tài)仿真工具箱Simulink仿真實(shí)現(xiàn)了PCM系統(tǒng)的全部過(guò)程。根據(jù)PCM系統(tǒng)的組成原理，在Simulink模塊庫(kù)中找到相應(yīng)的模塊，然后選擇合適的模塊以及設(shè)置適當(dāng)?shù)膮?shù)，建立了PCM通信系統(tǒng)的仿真模型，最后在給定仿真的條件下，運(yùn)行了仿真系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明：1.在正常的信噪比條件下，該通信系統(tǒng)失真較小，達(dá)到了預(yù)期的目的。2.Simulink仿真工具箱操作簡(jiǎn)單方便、調(diào)試直觀，為通信系統(tǒng)的軟件仿真實(shí)現(xiàn)提供了極大的方便。參考文獻(xiàn)：1、MATLAB 寶典 陳杰等編著 電子工業(yè)出版社2、MATLAB信號(hào)處理 劉波, 文忠, 曾涯編著 北京電子工業(yè)出版社3、數(shù)字信號(hào)處理的MATLAB實(shí)現(xiàn) 萬(wàn)永革編著

12、北京科學(xué)出版社4、網(wǎng)上資料 附錄MATLAB程序% 調(diào)相法clear allclose allt=-1:0.01:7-0.01;tt=length(t);x1=ones(1,800);for i=1:tt if (t(i)>=-1 & t(i)<=1) | (t(i)>=5& t(i)<=7); x1(i)=1; else x1(i)=-1; endendt1=0:0.01:8-0.01;t2=0:0.01:7-0.01;t3=-1:0.01:7.1-0.01;t4=0:0.01:8.1-0.01;tt1=length(t1);x2=ones(1,800

13、);for i=1:tt1 if (t1(i)>=0 & t1(i)<=2) | (t1(i)>=4& t1(i)<=8); x2(i)=1; else x2(i)=-1; endendf=0:0.1:1;xrc=0.5+0.5*cos(pi*f);y1=conv(x1,xrc)/5.5;y2=conv(x2,xrc)/5.5;n0=randn(size(t2);f1=1;i=x1.*cos(2*pi*f1*t);q=x2.*sin(2*pi*f1*t1);I=i(101:800);Q=q(1:700);QPSK=sqrt(1/2).*I+sqrt(1/

14、2).*Q;QPSK_n=(sqrt(1/2).*I+sqrt(1/2).*Q)+n0;n1=randn(size(t2);i_rc=y1.*cos(2*pi*f1*t3);q_rc=y2.*sin(2*pi*f1*t4);I_rc=i_rc(101:800);Q_rc=q_rc(1:700);QPSK_rc=(sqrt(1/2).*I_rc+sqrt(1/2).*Q_rc);QPSK_rc_n1=QPSK_rc+n1;figure(1)subplot(4,1,1);plot(t3,i_rc);axis(-1 8 -1 1);ylabel('a序列');subplot(4,1,

15、2);plot(t4,q_rc);axis(-1 8 -1 1);ylabel('b序列');subplot(4,1,3);plot(t2,QPSK_rc);axis(-1 8 -1 1);ylabel('合成序列');subplot(4,1,4);plot(t2,QPSK_rc_n1);axis(-1 8 -1 1);ylabel('加入噪聲');效果圖：% 設(shè)定 T=1,加入高斯噪聲clear allclose all% 調(diào)制bit_in = randint(1e3, 1, 0 1);bit_I = bit_in(1:2:1e3);bit_Q

16、 = bit_in(2:2:1e3);data_I = -2*bit_I+1;data_Q = -2*bit_Q+1;data_I1=repmat(data_I',20,1);data_Q1=repmat(data_Q',20,1);for i=1:1e4 data_I2(i)=data_I1(i); data_Q2(i)=data_Q1(i);end;f=0:0.1:1;xrc=0.5+0.5*cos(pi*f);data_I2_rc=conv(data_I2,xrc)/5.5;data_Q2_rc=conv(data_Q2,xrc)/5.5;f1=1;t1=0:0.1:1e

17、3+0.9;n0=rand(size(t1);I_rc=data_I2_rc.*cos(2*pi*f1*t1);Q_rc=data_Q2_rc.*sin(2*pi*f1*t1);QPSK_rc=(sqrt(1/2).*I_rc+sqrt(1/2).*Q_rc);QPSK_rc_n0=QPSK_rc+n0;% 解調(diào)I_demo=QPSK_rc_n0.*cos(2*pi*f1*t1);Q_demo=QPSK_rc_n0.*sin(2*pi*f1*t1);% 低通濾波I_recover=conv(I_demo,xrc); Q_recover=conv(Q_demo,xrc);I=I_recover(

18、11:10010);Q=Q_recover(11:10010);t2=0:0.05:1e3-0.05;t3=0:0.1:1e3-0.1;% 抽樣判決data_recover=;for i=1:20:10000 data_recover=data_recover I(i:1:i+19) Q(i:1:i+19);end;bit_recover=;for i=1:20:20000 if sum(data_recover(i:i+19)>0 data_recover_a(i:i+19)=1; bit_recover=bit_recover 1; else data_recover_a(i:i+1

19、9)=-1; bit_recover=bit_recover -1; endenderror=0;dd = -2*bit_in+1;ddd=dd'ddd1=repmat(ddd,20,1);for i=1:2e4 ddd2(i)=ddd1(i);endfor i=1:1e3 if bit_recover(i)=ddd(i) error=error+1; endendp=error/1000;figure(1)subplot(2,1,1);plot(t2,ddd2);axis(0 100 -2 2);title('原序列');subplot(2,1,2);plot(t2,

20、data_recover_a);axis(0 100 -2 2);title('解調(diào)后序列');效果圖：% 設(shè)定 T=1, 不加噪聲clear allclose all% 調(diào)制bit_in = randint(1e3, 1, 0 1);bit_I = bit_in(1:2:1e3);bit_Q = bit_in(2:2:1e3);data_I = -2*bit_I+1;data_Q = -2*bit_Q+1;data_I1=repmat(data_I',20,1);data_Q1=repmat(data_Q',20,1);for i=1:1e4 data_I2(

21、i)=data_I1(i); data_Q2(i)=data_Q1(i);end;t=0:0.1:1e3-0.1;f=0:0.1:1;xrc=0.5+0.5*cos(pi*f);data_I2_rc=conv(data_I2,xrc)/5.5;data_Q2_rc=conv(data_Q2,xrc)/5.5;f1=1;t1=0:0.1:1e3+0.9;I_rc=data_I2_rc.*cos(2*pi*f1*t1);Q_rc=data_Q2_rc.*sin(2*pi*f1*t1);QPSK_rc=(sqrt(1/2).*I_rc+sqrt(1/2).*Q_rc);% 解調(diào)I_demo=QPSK

22、_rc.*cos(2*pi*f1*t1);Q_demo=QPSK_rc.*sin(2*pi*f1*t1);I_recover=conv(I_demo,xrc);Q_recover=conv(Q_demo,xrc);I=I_recover(11:10010);Q=Q_recover(11:10010);t2=0:0.05:1e3-0.05;t3=0:0.1:1e3-0.1;data_recover=;for i=1:20:10000 data_recover=data_recover I(i:1:i+19) Q(i:1:i+19);end;ddd = -2*bit_in+1;ddd1=repma

23、t(ddd',10,1);for i=1:1e4 ddd2(i)=ddd1(i);endfigure(1)subplot(4,1,1);plot(t3,I);axis(0 20 -6 6);subplot(4,1,2);plot(t3,Q);axis(0 20 -6 6);subplot(4,1,3);plot(t2,data_recover);axis(0 20 -6 6);subplot(4,1,4);plot(t,ddd2);axis(0 20 -6 6);效果圖：% QPSK誤碼率分析SNRindB1=0:2:10;SNRindB2=0:0.1:10;for i=1:lengt

24、h(SNRindB1) pb,ps=cm_sm32(SNRindB1(i); smld_bit_err_prb(i)=pb; smld_symbol_err_prb(i)=ps;end;for i=1:length(SNRindB2) SNR=exp(SNRindB2(i)*log(10)/10); theo_err_prb(i)=Qfunct(sqrt(2*SNR);end;title('QPSK誤碼率分析');semilogy(SNRindB1,smld_bit_err_prb,'*');axis(0 10 10e-8 1);hold on;% semilogy(SNRindB1,smld_symbol_err_prb,'o');semilogy(SNRindB2,theo_err_prb);legend('仿真比特誤碼率','理論比特誤碼率');hold off;functiony=Qfunct(x)y=(1/2)*erfc(x/sqrt(2);functionpb,ps=cm_sm32(SNRindB)N=10000;E=1;SNR=10(SNRindB/10);sgma=sqrt(E/SNR)/2;